Vypracovane otazky k bakalarskym statnicim

Učební texty k státní bakalářské zkoušce 

Obecná informatika 

Architektury počítačů a sítí 

študenti MFF 

15. augusta 2008 

1

5 Architektury počítačů a sítí 

Požadavky 

• Architektury počítače. 

• Procesory, multiprocesory. 

• Vstupní a výstupní zařízení, ukládání a přenos dat. 

• Architektury OS. 

• Procesy, vlákna, plánování. 

• Synchronizační primitiva, vzájemné vyloučení. 

• Zablokování a zotavení z něj. 

• Organizace paměti, alokační algoritmy. 

• Principy virtuální paměti, stránkování. 

• Systémy souborů, adresářové struktury. 

• Bezpečnost, autentifikace, autorizace, přístupová práva. 

• ISO/OSI vrstevnatá architektura sítí. 

• TCP/IP. 

• Spojované a nespojované služby, spolehlivost, zabezpečení protokolů. 

5.1 Architektury počítače 

Definice (Architektura počítača) 

Architektura počítača popisuje „všetko, čo by mal vedieť ten, ktorý programuje v 

assembleri / tvorí operačný systém�. Teda: 

• z akých častí – štruktúra počítača, usporadanie 

• význam častí – funkcia časti, ich vnútorná štruktúra 

• ako spolu časti komunikujú – riadenie komukácie 

• ako sa jednotlivé časti ovládajú, aká je ich funkčnosť navonok 

Definice (Víceúrovňová organizace počítače) 

• Mikroprogramová úroveň (priamo technické vybavenie počítača) 

• Strojový jazyk počítače (virtuálny stroj nad obvodovým riešením; vybavenie – 

popis architektúry a organizácie) 

• Úroveň operačního systému (doplnenie predchádzajúcej úrovne o súbor makroinštrukcií 

a novú organizáciu pamäti) 

• Úroveň assembleru (najnižšia úroveň ľudsky orientovaného jazyka) 

• Úroveň vyšších programovacích jazyků (obecné alebo problémovo orientované; 

prvá nestrojovo orientovaná úroveň) 

• Úroveň aplikačních programů 

2

Je teda potrebné definovať 

• Inštrukčný súbor (definícia prechodovej funkcie medzi stavmi počítača, formát 

inštrukcie, spôsob zápisu, možnosti adresovania operandov) 

• Registrový model (rozlišovanie registrov procesoru: podľa voľby, pomocou určenia 

registru – explicitný/implicitný register; podľa funkcie registru – riadiaci 

register/register operandu) 

• Definice specializovaných jednotek (jednotka na výpočet vo floatoch; 

fetch/decode/execute jednotky) 

• Paralelismy (rozklad na úlohy, ktoré sa dajú spracovať súčasne – granularita 

(programy, podprogramy, inštrukcie...)) 

• Stupeň predikce (schopnosť pripraviť sa na očakávanú udalosť (načítanie inštrukcie, 

nastavenie prenosu dát) – explicitná predikcia, štatistika, heuristiky, 

adaptívna predikcia) 

• Datové struktury a reprezentáciu dát (spôsob uloženia dát v počítači, mapovacie 

funkcie medzi reálnym svetom a vnútorným uložením, minimálna a 

maximálna veľkosť adresovateľné jednotky) 

• Adresové konvencie (ako sa pristupuje k dátovým štruktúram – segment+offset 

alebo lineárna adresácia; veľkosť pamäti a jej šírika, „povolené� miesta) 

• Řízení (spolupráca procesoru a ostatných jednotiek, interakcia s okolím, prerušenia 

– vnútorne/vonkajšie) 

• Vstupy a výstupy (metódy prenosu dát medzi procesorom a ostatnými jednotkami/počítačom 

a okolím; zahrňuje definície dátových štruktúr, identifikácia 

zdroja/cieľa, dátových ciest, protokoly, reakcie na chyby). 

• Šíře datových cest 

• Stupeň sdílení (na úrovni obvodov – zdieľanie obvodov procesoru a IO; na 

úrovni jednotiek – zdieľanie ALU viacerými procesormi) 

Základní dvě architektury počítačů 

Von Neumannova 

• Počítač se skládá z řídící jednotky, ALU, paměti a I/O jednotek 

• Štruktúra počítača sa nemení typom úlohy (tj. počítač je programovaný obsahem 

paměti). 

• Program se nejprve zavede do paměti, z ní se postupně popořadě vybírají instrukce 

(a následující krok závisí na předchozím), pořadí lze změnit instrukcemi 

skoku. 

• Do jedné paměti, dělené na buňky stejné velikosti, se ukládají i zpracovávaná 

data. Data jsou reprezentovaná binárně. 

• V každém okamžiku je vykonávána jen jedna činnost. Je to architektura SISD 

(viz Flynnova taxonomie). 

3

Je pevně daná instrukční sada. Strojová instrukce obsahuje operační znak, 

který určuje druh operace, počet parametrů atd., a operandovú část – umístnění 

jednotlivých operandů. Vykonat jednu instrukci znamená: 

• (fetch) načítať inštrukciu z pamäti do procesoru 

• (decode) zistiť o akú inštrukciu ide 

• (load) pripraviť zdrojové operandy 

• (execute) vykonať operáciu 

• (store) uloziť cieľové operandy 

Při vykonávání programu jsou potřebné různé registry – nejdůležitější jsou: PC 

(Program Counter, obsahuje adresu následující instrukce), IR (Instruction Register, 

adresa právě vykonávané instrukce), SP (Stack Pointer, ukazatel na vrchol 

zásobníku), MAR (memory access register – adresa do operační paměti), MBR 

(memory buffer register, dáta čítána/zapisována do paměti). 

Struktura jednoprocesorového počítače podle Von Neumanna: 

Harvardská 

Vytvořena až po Von Neumannově, liší se hlavně tím, že program se ukládá do 

jiné paměti než data (tzn. jsou 2 „druhy paměti� – instrukcí a dat). Příklady jsou 

DSP procesory a mikrokontrolery (např. AVR od Atmelu, a PIC – mají paměť na 

program a data a RISC instrukční sadu; výhoda oddělených pamětí je, že můžou 

mít různou bitovou hloubku – 8 bitové data, ale 12-, 14- či 16- bitové instrukce 

(např. ARM musí občas použít více než jednou instrukci na zpracování obsahu 

plné velikosti)). 

Oproti Von Neumannově nehrozí nebezpečí přepsání programu sebou samým, 

ale kvůli většímu počtu paměťových sběrnic je náročnější na výrobu. Paměť navíc 

nelze dělit podle potřeby (rozdělení je už dané). 

5.2 Procesory, multiprocesory 

Definice (Procesor) 

Procesor (CPU – central processing unit) je ústřední výkonnou jednotkou počítače, 

která čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program. 

Základnými súčasťami procesora sú: 

4

• řadič nebo řídicí jednotka, která řídí tok programu, tj. načítání instrukcí, jejich 

dekódování, načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků 

zpracování instrukcí 

• sada registrů k uchování operandů a mezivýsledků. 

• jedna nebo více aritmeticko-logických jednotek (ALU), které provádí s daty 

aritmetické a logické operace. 

• některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), 

které provádí operace v plovoucí řádové čárce. 

Poznámka 

Súčasné procesory navyše často obsahujú ďalšie rozsiahle funkčné bloky (cache, 

rôzne periférie) – ktoré z „ortodoxného hladiska� nie sú priamo súčasťou jadra 

procesoru. Niektoré procesory môžu obsahovať viac jadier (+logiku slúžiacu k 

ich vzájomnému prepojeniu). Ďalším trendom je SoC (System on Chip), kde sa 

na čipe procesora nachádzajú aj ďalšie subsystémy napr. na spracovanie zvuku, 

grafiky alebo pripojenie externých periférií (takéto riešenia sa využívajú väčšinou 

v PDA, domácej elektronike, mobiloch atď.). 

Dělení podle instruční sady 

Podľa inštrukčnej sady je možné procesory rozdeliť na: 

• CISC (Complex Instruction Set Computer): poskytuje rozsiahlu inštrukčnú 

sadu spolu s rôznymi variantami inštrukcií. Jedna inštrukcia napr. môže vykonať 

veľa low-level operácií (načítanie z pamäti, vykonať aritmetickú operáciu a 

výsledok uložiť). Takéto inštrukcie zjednodušovali zápis programov (inštrukcie 

boli bližšie vyšším programovacím jazykom) a zmenšovali veľkosť programu a 

počet prístupov do pamäti – čo bolo v 60tych rokoch dôležité. Avšak nie vždy 

je vykonanie jednej zložitej operácie rýchlejšie ako vykonanie viac menej zložitých 

miesto toho (napr. kvôli zložitému dekódovaniu a použitiu mikrokódu 

na volanie jednoduchých „podinštrukcií�). Príkladmi CISC architektúr procesorov 

sú System/360, Motorola 68000 a Intel x86. V súčasnosti napr. x86 

rozkladá zložité inštrukcie na „micro-operations� ktoré môžu byť pipeline-ou 

spracované paralelne a vyšší výkon je tak dosahovaný na väčšom rozsahu inštrukcií. 

Vďaka tomu sú súčasné x86 procesory minimálne rovnako výkonné 

ako ozajstné RISC architektúry. 

• RISC (Reduced Instruction Set Computer): design CPU ktorý uprednosňuje 

jednoduchšiu inštrukčnú sadu a menšiu zložitosť adresovacích modelov – vďaka 

čomu je možné dosiahnuť lacnejšiu implementáciu, väčšiu úroveň paralelizmu 

a účinnejšie kompilátory. Dôvodom vzniku bolo aj nevyužívanie celej CISC 

inštrukčnej sady a upredňostňovania len obmedzenej podmnožiny (designéri 

procesorov potom optimalizovali len tieto podmnožiny a tak sa zvyšné inštrukcie 

používali ešte menej...). Kvôli väčšiemu počtu inštrukcií však musia 

RISC procesory častejšie pristupovať k pamäti... Príkladmi RISC procesorov 

sú napr. SPARC a ARM. V architekturách typu Post-RISC jde o spojení 

RISCových vlastností s technikami zvýšení výkonu, jako je out-of-order vykonávání 

a paralelismus. 

5

• VLIW: Very Long Instruction Word or VLIW refers to a CPU architecture 

designed to take advantage of instruction level parallelism (ILP). A processor 

that executes every instruction one after the other (i.e. a non-pipelined scalar 

architecture) may use processor resources inefficiently, potentially leading to 

poor performance. The performance can be improved by executing different 

sub-steps of sequential instructions simultaneously (this is pipelining), or even 

executing multiple instructions entirely simultaneously as in superscalar architectures. 

The VLIW approach, on the other hand, executes operation in 

parallel based on a fixed schedule determined when programs are compiled. 

Since determining the order of execution of operations (including which operations 

can execute simultaneously) is handled by the compiler, the processor 

does not need the scheduling hardware that the three techniques described 

above require. As a result, VLIW CPUs offer significant computational power 

with less hardware complexity (but greater compiler complexity) than is 

associated with most superscalar CPUs. 

• EPIC: (Někdy označován za poddruh VLIW) Explicitly Parallel Instruction 

Computing (EPIC) is a computing paradigm that began to be researched in 

the 1990s. This paradigm is also called Independence architectures. It was 

used by Intel and HP in the development of Intel’s IA-64 architecture, and has 

been implemented in Intel’s Itanium and Itanium 2 line of server processors. 

The goal of EPIC was to increase the ability of microprocessors to execute 

software instructions in parallel, by using the compiler, rather than complex 

on-die circuitry, to identify and leverage opportunities for parallel execution. 

This would allow performance to be scaled more rapidly in future processor 

designs, without resorting to ever-higher clock frequencies, which have since 

become problematic due to associated power and cooling issues. 

TODO: asi opravit, možná zpřesnit VLIW a EPIC a určitě přeložit 

Řekneme, že procesor má ortogonální instrukční sadu, pokud žádná instrukce 

nepředpokládá implicitně použití některých registrů. To umožňuje jednodušší práci 

algoritmům přidělování registrů v překladačích. Příkladem neortogonální instrukční 

sady je i x86. 

Další dělení 

Ďalej je možné procesory rozdeliť podľa dĺžky operandov v bitoch (8, 16, 32, 64...), 

ktorý je procesor schopný spracovať v jednom kroku. V embedded zariadeniach sa 

najčastejšie používajú 4- a 8-bitové procesory. V PDA, mobiloch a videohrách 8 

resp. 16 bitové. 32 a viac bitov využíajú napr. osobné počítače a laserové tlačiarne. 

Dôležitou vlastnosťou je aj taktovacia frekvencia jadra, MIPS (millions of instructions 

per second) a jeho rýchlosť. V súčasnosti je ťažké dávať do súvislosti 

výkon procesorov s ich frekvenciou (resp. MIPS) – kým Pentium zvládne na výpočet 

vo floatoch, jednoduchý 8-bitový PIC na to potrebuje oveľa viac taktov. 

Ďalším „problémom� je superskalarita procesorov, ktorá im umožňuje vykonať 

viacero nezávislých inštrukcií počas jedného taktu. 

6

Techniky pro zvýšení výkonu 

Zvyšovať výkon (procesorov) je možné viacerými spôsobmi. Najjednoduchším (a 

najpomalším) typom je Subskalárny CPU (načíta a spracúva len jednu inštrukciu 

naraz – preto musí celý procesor čakať kým vykonávanie inštrukcie skončí; je tak 

zdržovaný dlhšie trvajúcimi inštrukciami). 

Pokusy o dosiahnutie skalárneho a lepšieho výkonu vyústili do designov ktoré 

sa správajú menej lineárne a viac paralelne. Čo sa týka paralelizmu v procesoroch, 

používajú sa dva druhy pojmov na ich klasifikáciu – Instruction level parallelism 

(zvyšovanie rýchlosti vykonávania inštrukcií v procesore a teda zväčšovanie využitia 

prostriedkov na čipe) a Thread level parallelism (zväčšovanie počtu vlákien, 

ktoré dokáže CPU vykonávať naraz). 

• pipeline: Zlepšenie je možné dosiahnúť pomocou „instruction pipelining�-u, 

ktoré je použíté vo väčšine moderných procesorov. Umožňuje vykonanie viac 

ako jednej inštrukcie v jednom kroku vďaka rozloženiu spracovávania inštrukcie 

na viac menších krokov: 

• superskalarita: Dialša možnosť je použitie superscalar designu, ktorý obsahuje 

dlhú inštrukčnú pipeline a viacero identických execution jednotiek. 

• Out of order execution 

1. Načtení instrukce, případně její rozdrobení na mikroinstrukce 

2. Zařazení do vyčkávací stanice (instruction pool) 

3. Instrukce čeká na všechny svoje operandy 

4. Instrukce se vykoná ve své výkonné jednotce (je vybírána z instruction 

poolu nezávisle na ostatních) 

5. Výsledky se uchovají ve frontě (reorder buffer) 

7

6. Až se všechny starší instrukce zapíší do registrů, zapíše se výsledek této 

instrukce (opětovné řazení) 

• Predikce skoků – hluboké pipeliny mají problém, pokud podmíněný skok 

není proveden; dynamická predicke skoků (historie CPU – vzory nějaké hloubky) 

vs. statická (bez nápovědy – skok vpřed se neprovede, skok vzad se provede; s 

nápovědou – překladač odhaduje pravděpodobnost skoku) 

• Spekulativní vykonávaní – vykonávání kódu, který nemusí být zapotřebí; 

významná disproporce mezi rychlostí CPU a paměti; typické využití je značné 

předsunutí čtecích operací; CPU provádí i odsouvání zápisových operací 

• Data parallelism: SIMD inštrukcie (napr. multimediálne inštrukcie), vektorové 

procesory... 

Multiprocesory 

TODO: jde o copy & paste z Wiki ... předělat česky/slovensky 

Definice (Multiprocesor) 

O multiprocesoru mluvíme, pokud je použito dvou nebo více procesorů (CPU) 

v rámci jednoho počítačového systému. Termín je také používán mluvíme-li o 

schopnosti systému využívat více procesorů a/nebo schopnosti rozdělovat úlohy 

mezi jednotlivými procesory. 

Vztah k datům a instrukcím 

In multiprocessing, the processors can be used to execute a single sequence of 

instructions in multiple contexts (single-instruction, multiple-data or SIMD, often 

used in vector processing), multiple sequences of instructions in a single context 

(multiple-instruction, single-data or MISD, used for redundancy in fail-safe systems 

and sometimes applied to describe pipelined processors or hyperthreading), 

or multiple sequences of instructions in multiple contexts (multiple-instruction, 

multiple-data or MIMD). 

Symetrie 

In a multiprocessing system, all CPUs may be equal, or some may be reserved 

for special purposes. A combination of hardware and operating-system software 

design considerations determine the symmetry (or lack thereof) in a given system. 

For example, hardware or software considerations may require that only one CPU 

respond to all hardware interrupts, whereas all other work in the system may be 

distributed equally among CPUs; or execution of kernel-mode code may be restricted 

to only one processor (either a specific processor, or only one processor 

at a time), whereas user-mode code may be executed in any combination of processors. 

Multiprocessing systems are often easier to design if such restrictions are 

imposed, but they tend to be less efficient than systems in which all CPUs are 

utilized equally. 

Systems that treat all CPUs equally are called symmetric multiprocessing 

(SMP) systems. In systems where all CPUs are not equal, system resources may be 

8

divided in a number of ways, including asymmetric multiprocessing (ASMP), nonuniform 

memory access (NUMA) multiprocessing, and clustered multiprocessing 

(qq.v.). 

Těsnost spojení multiprocesorů 

• Tightly-coupled multiprocessor systems contain multiple CPUs that are connected 

at the bus level. These CPUs may have access to a central shared memory 

(SMP or UMA), or may participate in a memory hierarchy with both 

local and shared memory (NUMA). The IBM p690 Regatta is an example of 

a high end SMP system. Intel Xeon processors dominated the multiprocessor 

market for business PCs and were the only x86 option till the release of AMD’s 

Opteron range of processors in 2004. Both ranges of processors had their own 

onboard cache but provided access to shared memory; the Xeon processors via 

a common pipe and the Opteron processors via independent pathways to the 

system RAM. 

• Chip multiprocessors, also known as multi-core computing, involves more 

than one processor placed on a single chip and can be thought of the most 

extreme form of tightly-coupled multiprocessing. Mainframe systems with multiple 

processors are often tightly-coupled. 

• Loosely-coupled multiprocessor systems (often referred to as clusters) are 

based on multiple standalone single or dual processor commodity computers 

interconnected via a high speed communication system (Gigabit Ethernet is 

common). A Linux Beowulf cluster is an example of a loosely-coupled system. 

Tightly-coupled systems perform better and are physically smaller than looselycoupled 

systems, but have historically required greater initial investments and may 

depreciate rapidly; nodes in a loosely-coupled system are usually inexpensive commodity 

computers and can be recycled as independent machines upon retirement 

from the cluster. 

SMP (Symmetric Multiprocessing): viac procesorov so zdieľanou operačnou 

pamäťou (nutné mechanizmy na zabránenie nesprávnych náhľadov na pamäť a 

migráciu procesov medzi procesormi). SMP systems allow any processor to work 

on any task no matter where the data for that task are located in memory; with 

proper operating system support, SMP systems can easily move tasks between 

processors to balance the workload efficiently. 

5.3 Vstupní a výstupní zařízení 

K I/O zařízením je možné přistupovat dvěma způsoby: pomocí portů (speciální 

adresový port CPU) nebo pamětovým mapováním (namapování do fyzické paměti). 

Zařízení mají různé charakteristiky: 

• druh – blokové (disk, síťová karta), znakové (klávesnice, myš) 

• přístup – sekvenční (datová páska), náhodný (hdd, cd) 

9

• komunikace – synchronní (pracuje s daty na žádost – disk), asynchronní 

(„nevyžádaná� data – síťová karta) 

• sdílení – sdílené (preemptivní, lze odebrat – síťová karta (po multiplexu OS)), 

vyhrazené (nepreemptivní – tiskárna, sdílení se realizuje přes spooling). Reálně 

se rozdíly stírají. 

• rychlost (od několika Bps po GBps) 

• směr dat – R/W, R/O (CD-ROM), W/O (tiskárna) 

Přenos dat mezi zařízením a CPU/pamětí: 

• polling – aktivní čekání na změnu zařízení, přenos provádí CPU 

• přerušení – asynchronní přerušení od zařízení, přenos provádí CPU 

• DMA (Direct Memory Access) – zařízení si samo řídí přístup na sběrnici 

a přenáší data z/do paměti; po skončení přenosu přerušení (oznámení o 

dokončení) 

Cíle I/O software: 

• Nezávislost zařízení – programy nemusí dopředu vědět, s jakým přesně zařízením 

budou pracovat – je jedno jestli pracuji se souborem na pevném disku, 

disketě nebo na CD-ROM 

• Jednotné pojmenování (na UNIXu /dev) 

• Připojení (mount) – časté u vyměnitelných zařízení (disketa); možné i u 

pevných zařízení (disk); nutné pro správnou funkci cache OS 

• Obsluha chyb – v mnoha případech oprava bez vědomí uživatele (velmi často 

způsobeno právě uživatelem) 

5.4 Architektury OS 

Klasická struktura – monolitická 

Nejstarší, už IBM 360, Unix, Win., všechny služby uvnitř, prováděny ve chráněném 

módu, jádro poměrně velké, „údajně� nejrychlejší. Program zavolá službu OS, přes 

tabulku se zjistí adresa přísl. fce, ta se zavolá a vrátí výsledek. Nevýhoda: horší 

údržba – je-li v programu chyba, může poškodit zbývající části systému, rozšiřování 

za běhu je komplikované. 

Virtuální stroje 

Původní nápad : Virtual Machine pro IBM360 – oddělit multitasking od OS jako 

ext. stroj. Nad HW byla další vrstva – „Virtual Machine� – měla plánovat, vyrábí 

pro procesy iluzi holého HW; dneska např. VMWare dělá to samé. Pro IBM360 se 

dalo použít v kombinaci s CMS (jednoúlohový) i původního OS360 (rychlejší než 

OS360 na holém HW). 

Dnes: definuji abstraktní stroj, pro něj překládám programy (.NET, Java) → 

přenositelnost, kompatibilita (IBM AS400 – desítky let), problém – pomalé. 

10

Mikrojádro 

snaha aby část běžící v kernel módu byla co nejmenší (třeba jen cca 10 KB), 

nejnovější, experimentální, často pro Distribuované OS (dnes už nepoužívané), 

hodně procesů & komunikace (klient/server), mikrojádro řeší jenom komunikaci. 

Filesystém apod. jsou procesy – aplikace jim posílají přes jádro požadavky. 

Jediný komerční OS – Chorus (ústředny). výhoda: když něco spadne, nepoškodí to 

zbytek, moduly jdou měnit za běhu, komunikace jde snadno rozšířit na komunikaci 

po síti. 

Architektura WinNT 

Jádro je poměrně malé (cca 1MB), schopné (pro vyšší vrstvy jsou některé schopnosti 

skryté), na jeho vzniku se podíleli schopní Unixáři. Byla zde snaha o malou 

velikost, přenositelnost. Jádro je neutrální vzhledem k vyšším vrstvám, nad ním 

lze vybudovat různé systémy (Windows subsystém, POSIX, OS/2). 

Rozhraní OS a uživ. programů zajišťuje WinAPI, nad ním se nacházejí různé 

DLL, mezi kernelem a HW je „hardware abstraction layer�, tj. kernel lze jednoduše 

upravit pro jiné architektury (Alpha, IA-64). Grafické drivery jediné mají přímý 

přístup k HW (kvůli výkonu), části API (USER, GDI) jsou implementované v 

jádře, přechod mezi user a kernel režimem zajišťuje ntdll.dll (a je tedy využíván 

všemi programy). Veškeré služby a aplikace běží v user módu nad jádrem. 

Architektura Linuxu 

• Na úrovni SW – přenositelnost; abstrakce HW. 

• nad HW – kernel, nad ním systémová volání, hodně podobné Windows. 

11

5.5 Procesy, vlákna, plánování 

Procesy a vlákna 

Systémové volání je interface mezi OS (kernelspace) a užívatelskými programy (userspace). 

Definice (Proces) 

Proces je inštancia vykonávaného programu. Kým program je len súbor inštrukcií, 

proces je vlastný „výkon� týchto inštrukcií. Proces má vlastný adresný priestor 

(pamäť), prostriedky, práva a napr. aj ID (Process ID). 

Počas života sa môže proces nachádzať v rôznych stavoch: 

• bežiaci – jeden proces na procesor, 

• blokovaný – pri použití blokujúceho volania – I/O disku atď., 

• pripravený – skončilo blokovanie; spotreboval všetok pridelený čas resp. vrátil 

riadenie systému, čaká na nové pridelenie procesora, 

• zombie – po ukončení procesu, keď už nepracuje – ale ešte nebol vymazaný. 

Definice (Vlákno) 

Vlákno je možnosť pre program ako sa „rozdeliť� na dva alebo viac zároveň (resp. 

pseudo-zároveň) vykonávaných úloh. Oproti procesu mu nie je pridelená vlastná 

pamäť – je to len miesto vykonávania inštrukcií v programe. Oproti procesu sú 

jeho „atribútmi� len hodnota programového čítača, stav registrov CPU a zásobník. 

Oproti Windows/Solaris neobsahuje Linux priamu podporu pre vlákna. Miesto 

toho podporuje procesy (zhodou okolností :-)) zdieľajúce pamäť. V samotnom jadre 

linuxu ale vlákna existujú (kthreads). 

Plánovanie 

Prideľovanie procesorového času jednotlivým procesom má na starosti plánovač. 

Plánovanie pritom môže byť preemptívne alebo nepreemptívne (kooperatívne – alla 

Win16). 

Ciele plánovania (niektoré z nich sú očividne protichodné): 

• Spravodlivosť (každy procesor dostane adekvátnu časť času CPU) 

• Efektívnosť (plne vyťažený procesor) 

• Minimálna doba odpovede 

• Průchodnost (maximálny počet spracovaných procesov) 

• Minimálna réžia systému 

Kritériá plánovania: 

• Viazanosť procesu na dané CPU a I/O (presun procesu na iný procesor zaberie 

veľa prostriedkov) 

• Proces je dávkovy/interaktívny? 

• Priorita procesu (statická (nemenná – okrem „renice�) + dynamická, ktorá sa 

mení v čase kvôli spravodlivosti) 

12

• Ako často proces generuje výpadky stránok (nejaký popis???) 

• Kolik skutočného času CPU proces obdržel 

Algoritmy: 

• FIFO: nepreemptívny, proces opustí procesor až po skončení 

• Round Robin: preemptívne rozšírenie FIFO, po skončení časového kvanta je 

proces presunutý na koniec fronty 

• Plánovanie s viacerými frontami: niekoľko front, procesu z i-tej fronty 

je pridelený procesor až keď vo frontách 1, . . . , i − 1 nie je pripravený ziadny 

proces. Ak proces skončil I/O operáciou, je blokovaný a presunutý do fronty 

i − 1, ak skončil preempciou, je pripravený a presunutý do fronty i + 1. 

• SMP: fronta CPU čakajúcich na pripravené procesy (aktívne (spotrebováva 

energiu) vs. pasívne čakanie (špeciálne inštrukcie)), „vzťah�/afinita procesov 

k CPU 

• TODO: Plánovanie windows vs. linux??? 

5.6 Synchronizační primitiva, vzájemné vyloučení 

Pojmy 

Race conditions: výsledek operace závisí na plánování 

Vzájemné vyloučení (mutual exclusion): kritickou operaci provádí nejvýše jeden 

proces. Podmínky vzájemného vyloučení: 

1. Žádné dva procesy nemohou být najednou ve stejné kritické sekci 

2. Nemohou být učiněny žádné předpoklady o rychlosti nebo počtu CPU 

3. Žádný proces mimo kritickou sekci nesmí blokovat jiný proces 

4. Žádný proces nesmí čekat nekonečně dlouho v kritické sekci 

Kritická sekce: část programu, kde se provádí kritická operace 

Metody dosáhnutí vzájemného vyloučení: aktivní čekání (busy waiting) a pasivní 

čekání/blokování. 

Aktivní čekání 

Vlastnosti: spotřebovává čas procesoru, vhodnější pro předpokládané krátké doby 

čekání, nespotřebovává prostředky OS, rychlejší. 

Je možné použít např. zakázání přerušení (vhodné pro jádro OS). Používání 

zámků nefunguje: 

int lock; 

void proc(void) { 

for (;;) { 

nekritická_sekce(); 

while (lock != 0); 

13

} 

} 

lock = 1; 

kritická_sekce(); 

lock = 0; 

ale důsledné střídání ano (to ale porušuje podmínku 3.) 

int turn = 0; 

void p1(void) void p2(void) 

{ { 

for (;;) { for (;;) { 

while (turn != 0); while (turn != 1); 

kritická_sekce(); kritická_sekce(); 

turn = 1; turn = 0; 

nekritická_sekce(); nekritická_sekce(); 

} } 

} } 

Petersonovo řešení: 

#define N 2 /* počet procesů */ 

int turn; 

int interested[N]; /* kdo má zájem */ 

void enter_region(int proc) { /* proc: kdo vstupuje */ 

int other; 

} 

other = 1-proc; /* číslo opačného procesu */ 

interested[proc] = TRUE; /* mám zájem o vstup */ 

turn = proc; /* nastav příznak */ 

while (turn == proc && interested[other] == TRUE); 

void leave_region(int proc) { /* proc: kdo vystupuje */ 

interested[proc] = FALSE; /* už odcházím */ 

} 

Instrukce TSL (spin-lock) - je nutné aby ji podporoval HW (všechny současné 

procesory nějakou mají): 

enter_region: 

tsl R,lock ; načti zámek do registru R a 

; nastav zámek na 1 

cmp R,#0 ; byl zámek nulový? 

jnz enter_region ; byl-li nenulový, znova 

14

et ; návrat k volajícímu - vstup do 

; kritické sekce 

leave_region: 

mov lock,#0 ; ulož do zámku 0 

ret ; návrat k volajícímu 

Pasivní čekání 

Vlastnosti: proces je ve stavu blokován, vhodné pro delší doby čekání, spotřebovává 

prostředky OS, pomalejší. 

Postup používající Sleep/Wakeup (implementovány OS, atomické operace - sleep 

uspí volající proces, wakeup probudí udaný proces) nefunguje (viď Problém producent/konzument). 

Semafory... Sémantika: 

Down(Semaphore s) { 

wait until s > 0, then s := s-1; 

/* must be atomic once s > 0 is detected */ 

} 

(pokud je čítač > 0, sníží čítač o 1 a pokračuje dál; pokud je čítač = 0, operace 

DOWN se zablokuje a proces je přidán do fronty čekající na tomto semaforu) 

Up(Semaphore s) { 

s := s+1; /* must be atomic */ 

} 

(pokud je fronta neprázdná, vybere libovolný proces a ten probudí za DOWN; jinak 

zvětší čítač o 1) 

Init(Semaphore s, Integer v) { 

s := v; 

} 

Je možné „používať� aj sémantiku, kde sa hodnota vždy zníži/zvýši o 1 (a je 

možné sa teda dostať do záporných hodnôt semafóru)... Špeciálny (binárny) typ 

semaforu, kde sú povolené len hodnoty 0 a 1 (v Up sa miesto s := s + 1 volá s := 1) 

sa nazýva mutex a používa sa na riadenie prístupu k jednej premennej. 

Monitory 

Implementovány překladačem, lze si představit jako třídu C++ (všechny proměnné 

privátní, funkce mohou být i veřejné), vzájemné vyloučení v jedné instanci 

(zajištěno synchronizací na vstupu a výstupu do/z veřejných funkcí, synchronizace 

implementována blokovacím primitivem OS). ???TODO 

Zprávy 

Operace SEND a RECEIVE, zablokování odesílatele/příjemce, adresace proces/mailbox, 

rendez-vous... 

RWL - read-write lock, bariéry... 

Ekvivalence primitiv - pomocí jednoho blokovacího primitiva lze implementovat 

jiné blokovací primitivum. 

Rozdíly mezi platformami: Windows - jednotné funkce pro pasivní čekání, čekání 

na více primitiv, timeouty. Unix - OS implementuje semafor, knihovna pthread. 

15

Klasické synchronizační problémy 

Problém producent/konzument 

Producent vyrába predmety, konzument ich spotrebúva. Medzi nimi je sklad 

pevnej veľkosti (N). Konzument nemá čo spotrebúvať ak je sklad prázdny; producent 

prestane vyrábať, ak je sklad plný. 

int N = 100; 

int count = 0; 

void producer(void) { 

int item; 

while(TRUE) { 

produce_item(&item); 

if(count==N) sleep (); 

enter_item(item); 

count++; 

if(count == 1) wake(consumer); 

} 

} 

void consumer(void) { 

int item; 

while(TRUE) { 

if(count==0) sleep (); 

remove_item(&item); 

count--; 

if(count==N-1) 

wake(producer); 

consume_item(&item); 

} 

} 

1. Buffer je prázdny, a konzument práve prečítal count, aby zistil, či je rovný nule 

2. Preplánovanie na producenta 

3. Producent vytvorí item a zvýši count 

4. Producent zistí, či je count rovný jednej. Zistí že áno, čo znamená že konzument 

bol predtým zablokovaný (pretože muselo byť 0), a zavolá wakeup 

5. Teraz môže dôjsť k zablokovaniu: konzument sa uspí, pretože si myslí, že nemá 

čo zobrať; producent bude chvíľu produkovať a dôjde ”preplneniu” ⇒ uspí sa; 

spí producent aj konzument :o) 

Problém obědvajících filosofů 

Pět filosofů sedí okolo kulatého stolu. Každý filosof má před sebou talíř špaget a 

jednu vidličku. Špagety jsou bohužel slizké a je třeba je jíst dvěma vidličkami. Život 

filosofa sestává z období jídla a období přemýšlení. Když dostane hlad, pokusí se 

vzít dvě vidličky, když se mu to podaří, nají se a vidličky odloží. 

Problém ospalého holiče 

Holič má ve své oficíně křeslo na holení zákazníka a pevný počet sedaček pro 

čekající zákazníky. Pokud v oficíně nikdo není, holič se posadí a spí. Pokud přijde 

16

první zákazník a holič spí, probudí se a posadí si zákazníka do křesla. Pokud přijde 

zákazník a holič už střihá a je volné místo v čekárně, posadí se, jinak odejde. 

5.7 Zablokování a zotavení z něj 

Prostředek je cokoliv, k čemu je potřeba hlídat přístup (HW zařízení – tiskárny, 

cpu; informace – záznamy v DB). Je možné je rozdělit na odnímatelné (lze odejmout 

procesu bez následků – CPU, paměť) a neodnímatelné (nelze odejmnout bez 

nebezpečí selhání výpočtu – CD-ROM, tiskárna... tento druh způsobuje problémy). 

Práce s prostředky probíhá v několika krocích: žádost o prostředek (blokující, 

právě tady dochází k zablokování), používání (např. tisk), odevzdání (dobrovolné/při 

skončení procesu). 

Množina procesů je zablokována, jestliže každý proces z této množiny čeká na 

událost, kterou může způsobit pouze jiný proces z této množiny. 

Coffmanovy podmínky 

Splnenie týchto podmienok je nutné pre zablokovanie: 

1. Vzájemné vyloučení – každý prostředek je buď vlastněn právě jedním procesem 

nebo je volný. 

2. Drž a čekej – procesy aktuálně vlastnící nějaké prostředky mohou žádat o 

další. 

3. Neodnímatelnost – přidělené prostředky nemohou být procesům odebrány. 

4. Čekání do kruhu – existuje kruhový řetěz procesů, kde každý z nich čeká na 

prostředek vlastněný dalším článkem řetězu. 

Řešení zablokování 

• Pštrosí algoritmus – Zablokování se ani nedetekuje, ani se mu nezabraňuje, 

ani se neodstraňuje, Uživatel sám rozhodne o řešení (kill). Nespotřebovává 

prostředky OS – nemá režii ani neomezuje podmínky provozu. (Nejčastější 

řešení – Unix, Windows) 

• Detekce a zotavení – Hledá kružnici v orientovaném grafu (hrany vedou 

od procesu, který čeká, k procesu, který prostředek vlastní), pokud tam je 

kružnice, nastalo zablokování a je třeba ho řešit: 

– Odebrání prostředku – dohled operátora, pouze na přechodnou dobu 

– Zabíjení procesů z cyklu (resp. mimo cyklus vlastnící identický prostředek) 

– Rollback (OS ukládá stav procesů, při zablokování se některé procesy 

vrátí do předchozího stavu ⇒ ztracena práce... obdoba u DB) 

• Vyhýbání se – Bezpečný stav (procesy/prostředky nejsou zablokovány, existuje 

cesta, jak uspokojit všechny požadavky na prostředky spouštěním procesů 

v jistém pořadí); Viď. bankéřův algoritmus. Nutné je předem znát všechny 

prostředky, které budou programy potřebovat; OS pak dává prostředky tomu, 

který je nejblíž svému maximu potřeby a navíc pro který je prostředků dost 

na dokončení. Dnes se moc nepoužívá. 

17

• Předcházení (prevence) – napadení jedné z Coffmanovy podmínek 

1. Vzájemné vyloučení – spooling (prostriedky spravuje jeden systemový 

proces, ktory dohliada na to, aby jeho stav bol konzistentny (tiskarna) – 

pozor na místo na disku) 

2. Drž a čekej – žádat o všechny prostředky před startem procesu. Nejprve 

všechno uvolnit a pak znovu žádat o všechny najednou 

3. Neodnímatelnost – vede k chaosu 

4. Čekání do kruhu – nejvýše jeden prostředek – všechny prostředky jednoznačně 

očíslovány, procesy mohou žádat o prostředky jen ve vzestupném 

pořadí 

• Dvojfázové zamykání – nejprve postupně všechno zamykám (první fáze). Potom 

se může pracovat se zamčenými prostředky – a na závěr se už jen odemyká 

(druhá fáze) – viď transakční spracování u databází ((striktní/konzervativní) 

dvoufázové zpracování) 

Bankéřův algoritmus: Bankéř má klienty a těm slíbil jistou výšku úvěru. Bankéř 

ví, že ne všichni klienti potřebují plnou výši úvěru najednou. Klienti občas navštíví 

banku a žádají postupně o prostředky do maximální výšky úvěru. Až klient 

skončí s obchodem, vrátí bance vypůjčené peníze. Bankéř peníze půjčí pouze tehdy, 

zůstane-li banka v bezpečném stavu. 

5.8 Organizace paměti, alokační algoritmy 

Hierarchie paměti (směrem odshora dolů roste velikost, cena na bajt a rychlost 

klesá – a naopak. . . ): 

• registry CPU — 10ky-100vky bajtů (IA-32: obecné registy pár 10tek), IA-64 – 

až kB (extrém), stejně rychlé jako CPU. 

• cache — z pohledu aplikací není přímo adresovatelná; dnes řádově MB, rozdělení 

podle účelu, několik vrstev. L1 cache (cca 10ky kB) – dělené instrukce/data; 

L2 (cca MB) sdílené instr&data, běží na rychlosti CPU (dřív bývala pomalejší), 

servery – L3 (cca 10MB). Vyrovnává rozdíl rychlosti CPU a RAM. 

Využívá lokality programů – cyklení na místě; sekvenčního přístupu k datům. 

Pokud nenajdu co chci v cache – „cache-miss�, načítá se potřebné z RAM (po 

blocích), jinak (v 95-7% případů) nastane „cache-hit�, tj. požadovaná data v 

cache opravdu jsou a do RAM nemusím. 

• hlavní paměť (RAM) — přímo adresovatelná procesorem, 100MB – GB; pomalejší 

než CPU; CAS – doba přístupu na urč. místo – nejvíc zdržuje (v 1 

sloupci už čte rychle, dat. tok dostatečný), další – latence – doba než data 

dotečou do CPU – hraje roli vzdálenost (AMD- integrovaný řadič v CPU) 

• pomocná paměť — není přímo adresovatelná, typicky HDD; náh. přístup, ale 

pomalejší. 100GB, různé druhy – IDE, SATA, SCSI; nejvíc zdržuje přístupová 

doba (čas seeku) cca 2-10ms; obvykle sektor – 512 B; roli hraje i rychlost 

otáčení (4200 – 15000 RPM) – taky řádově ms. 

• zálohovací paměť — nejpomalejší, z teorie největší, dnes ale neplatí; typicky – 

pásky; pro větší kapacitu – autoloadery ; sekvenční přístup; dnes – kvůli rychlosti 

často zálohování RAIDem. 

18

Správce paměti: část OS, která spravuje paměťovou hierarchii se nazývá 

správce paměti (memory manager): 

• udržuje informace o volné/plné části paměti 

• stará se o přidělování paměti 

• a „výměnu paměti s diskem� 

Přiřazení adresy 

• při překladu (je již známo umístění procesu, generuje se absolutní kód, PS: 

statické linkování) 

• při zavádění (OS rozhodne o umístění – generuje se kód s relokacemi, PS: 

dynamické linkování) 

• za běhu (proces se může stěhovat i za běhu, relokační registr) 

Overlay – Proces potřebuje více paměti než je skutečně k dispozici. Programátor 

tedy rozdělí program na nezávislé části (které s v paměti podle potřeby vyměňnují) 

a část nezbytnou pro všechny části. . . 

Výměna (swapping) – dělá se, protože proces musí být v hlavní paměti, aby 

jeho instrukce mohly být vykonávány procesorem... Jde o výměnu obsahu paměti 

mezi hlavní a záložní. 

Překlad adresy – nutný, protože proces pracuje v logickém (virtuálním) adresovém 

prostoru, ale HW pracuje s fyzickým adresovým prostorem... 

Spojité přidělování – přidělení jednoho bloku / více pamětových oddílů (pevně – 

paměť pevně rozdělena na části pro různé velikosti bloků/volně – v libovolné části 

volné paměti může být alokován libovolně veliký blok) 

Informace o obsazení paměti – bitová mapa / spojový seznam volných bloků 

(spojování uvolněného bloku se sousedy) 

Alokační algoritmy: 

• First-fit – první volný dostatečné velikosti – rychlý, občas ale rozdělí velkou 

díru 

• Next-fit – další volný dostatečné velikosti – jako First-fit, ale rychlejší 

• Best-fit – nejmenší volný dostatečné velikosti – pomalý (prohledává celý seznam), 

zanechává malinké díry (ale nechává velké díry vcelku) 

• Worst-fit – největší volný – pomalý (prohledává celý seznam), rozdělí velké 

díry 

• Buddy systém – paměť rozdělena na bloky o velikosti 2 n , bloky stejné velikosti 

v seznamu, při přidělení zaokrouhlit na nejbližší 2 n , pokud není volný, rozštípnou 

se větší bloky na příslušné menší velikosti, při uvolnění paměti se slučují 

sousední bloky (buddy) 

Fragmentace paměti: 

• externí – volný prostor rozdělen na malé kousky, pravidlo 50% – po nějaké 

době běhu programu bude cca 50% paměti fragmentováno a u toho to zůstává 

• interní – nevyužití celého přiděleného prostoru 

• sesypání – pouze při přiřazení adresy za běhu, nebo segmentaci – nelze při 

statickém přidělení adresy 

19

5.9 Principy virtuální paměti, stránkování, algoritmy pro 

výměnu stránek, výpadek stránky, stránkovací tabulky, 

segmentace 

Virtuální paměť 

• procesy pracují s virtuální adresou 

• mapování adresy na fyzickou - mapovací tabulky 

• obraz virtuální paměti (VAP) částečně v RAM a částečně na disku 

• dříve iluze větší paměti, dnes hlavně ochrana přístupu 

• stránkování / segmentace 

Stránkování 

podporované všemi velkými CPU a OS, jednorozměrný VAP 

• VAP rozdělen na stránky (velikost je mocnina 2), FAP na rámce (úseky stejné 

délky) 

• převod stránkovací tabulkou, příznak existence mapování (výpadek stránky → 

synchronní přerušení) 

• umožnuje oddělené VAP i sdílenou paměť - mapování virtuální stránky 2 procesů 

na jednu fyzickou 

• víceúrovňové stránkování (např. kvůli velikosti) 

20

• TLB (Translation Lookaside Buffer) - asociativní paměť sloužící na rychlé 

vyhledání mapování virtuální stránky na fyzickou, využívá lokalitu chování 

programů 

...nulaúrovňové stránkování - používá pouze TLB, řízeno také OS (oblíbené u 

64-bitových CPU - UltraSPARC III) 

• inverzní stránkování (např. když FAP je menší než VAP, 64-bitové CPU - 

IA-64) 

Akce vykonávané při výpadku stránky: 

• výjimka procesoru 

• uložit stav CPU (kontext) 

• zjistit VA 

• kontrola platnosti adresy a práv 

• nalezení volného rámce 

• zrušit mapování na nalezený rámec 

• pokud je vyhazovaný rámec vyhazován, spustit ukládání na disk 

• načíst z disku požadovanou stránku do rámce 

• zavést mapování 

• obnovit kontext 

Při implementaci stránkování je nutno brat v úvahu: 

• znovuspuštění instrukce — je potřeba aby procesor po výpadku zkusil přístup 

do paměti znova. dnes umí všechny CPU, např. 68xxx - problémy (přerušení 

v půlce instrukce) 

21

• sdílení stránek — jednomu rámci odp. víc stránek → pokud s ním něco dělám, 

týká se to všech stránek! musím vše ost. odmapovat. musím si pamatovat 

mapování pro každý rámec - obrácené tabulky. 

• odstranění položky z TLB při rušení mapování — nestačí změnit tabulky, musí 

se vyhodit i z TLB (kde to může, ale nemusí být). problém - u multiprocesorů 

má každá CPU vlastní TLB, tabulky jsou sdílené → CPU při rušení mapování 

musí poslat interrupt s rozkazem ke smazání všem (i sobě), počkat na potvrzení 

akce od všech. 

Algoritmy pro výměnu stránek 

• Optimální stránka (v okamžiku výpadku stránky vybírám stránku, na níž 

se přistoupí za největší počet instrukcí) - nelze implementovat 

• NRU (Not Recently Used) - každá stránka má příznaky Accessed a Dirty 

(typicky implementovatelné v HW, možno simulovat SW); jednou za čas se 

smažou všechna A; při výpadku rozdělím stránky podle A,D a vyberu stránku 

z nejnižší neprázdné třídy: 

A D 

0 0 0 

1 0 1 

2 1 0 

3 1 1 

• FIFO (vykazuje anomálie - Belady (zvětšení počtu výpadků stránky, když 

zvýšíme počet stránek v paměti)), druhá šance (úprava FIFO; pokud A=1, 

zařadím na konec FIFO... nevykazuje anomálie) 

• Hodiny - modifikace druhé šance: kruhový zoznam stránek + iterátor na 

ukazující na nejstarší stránku v zoznamu. Při výpadku (a neexistenci volého 

rámce) se zjistí, jestli má *iterator nastavený příznak Accessed. Jestli ne, tato 

stránka bude nahrazena - v opačném případě se Accessed příznak zruší a iterator++. 

Toto se opakuje, dokud nedojde k výměně. . . 

• LRU (Least Recently Used) - často používané stránky v posledním krátkém 

časovém úšeku budou znovu použity, čítač použití stránek, možné implementovat 

v HW 

• NFU (Not Frequently Used) - SW simulace LRU, SW čítač ke každé stránce; 

jednou za čas projdu všechna A a přičtu je k odpovídajícím čítačům; vybírám 

stránku s nejnižším čítačem; nezapomíná - je možná modifikace se stárnutím 

čítače 

Segmentace 

dnes pouze Intel IA-32, dvojrozměrný VAP 

• rozdělení programu na segmenty (napr. podle částí s různými vlastnostmi - 

kód, data, zásobníky. . . ), různé délky segmentů, ktoré můžou měnit svoji délku 

za běhu 

22

• VAP dvourozměrný (segment, offset), FAP jednorozměrný (vyzerá jako při 

spojitém pridělování paměti) 

• segmentová převodní tabulka (VA se skládá ze dvou častí S:D, v tabulce se 

najde adresa segmentu S. . . k této adrese se poté přičte D, co je umístnění 

adresy v FA), příznak existence mapování 

• při výpadku je nutné měnit celý segment (ty mohou být velké), je možné 

segmenty sesypat - ale nelze mít segment větší než FAP 

Segmentaci je možné kombinovat se stránkováním (odstraňuje nevýhody segmentace, 

neprovádí se výpadky segmentů): 

5.10 Systémy souborů, adresářové struktury 

Definice (soubor) 

Soubor je pojmenovaná množina souvisejících informací, která leží v pomocné 

paměti (na disku). 

Soubor je abstrakce, která umožňuje uložit informaci na disk a později ji přečíst. 

Abstrakce odstiňuje uživatele od podrobností práce s disky. 

Soubory 

• pojmenování souboru (umožňuje uživateli přístup k jeho datům; přesná pravidla 

pojmenování určuje OS - malá vs. velká písmenka, speciální znaky, délka 

jména, přípony a jejich význam) 

• atributy souborů (opět určuje OS) - jméno, typ, umístění, velikost, ochrana, 

časy, vlastník, . . . 

• struktura souborů - sekvence bajtů / sekvence záznamů / strom 

• typy souborů - běžné soubory, adresáře (systémové soubory vytvářející strukturu 

souborového systému), speciální soubory (znakové/blokové, soft linky) 

• přístup 

– sekvenční – pohyb pouze vpřed, OS může přednačítat 

– náhodný – možno měnit aktuální pozici 

– paměťově mapované soubory – pojmenovaná virtuální paměť, práce 

se souborem instrukcemi pro práci s pamětí, ušetří se kopírování pamětí; 

23

mají i problémy (přesná velikost souboru, zvětšování souboru, velikost 

souborů) 

• volné místo na disku - bitmapa / spojový seznam volných bloků 

Uložení souborů 

Soubory se ukládají na disk po blocích 

• souvislá alokace - souvislý sled bloků 

• spojovaná alokace - blok odkazuje na další 

• indexová alokace - inode (UNIX) 

Adresáře 

• zvláštní typ souboru 

• operace nad adresáři - hledání souboru / vypsání adresáře / přejmenování, 

vytvoření, smazání souboru 

• kořen, aktuální adresář, absolutní/relativní cesta 

• hierarchická struktura 

– strom – jednoznačné pojmenování (cesta) 

– DAG – víceznačné pojmenování, ale nejsou cykly 

– obecný graf – cykly vytváří problém při prohledávání 

• implementace adresářů - záznamy pevné velikosti, spojový seznam, B-stromy 

Co musí filesystém umět? 

musí splňovat 3 věci: správu souborů (kde jsou, jak velké), správu adresářů (převod 

jméno ↔ id) (někdy to dělá jiný prostředek, dnes větš. umí FS sám), správu 

volného místa. někdy mohou být i další (odolnost proti výpadkům) 

Velikost bloků – blok = nejmenší jednotka pro práci s diskem; disk pracuje s 

min. 1 sektorem (typicky 512 B) - někdy by pak bylo moc bloků → OS sdruží 

několik sektorů lineáně vedle sebe = 1 blok. velikost: velké = rychlejší práce, 

ale vnitřní fragmentace (průměrný soubor má cca pár KB), malé = malá vnitřní 

fragmentace, větší režie na info o volném místě/ umístění souboru (zabírá víc 

bloků!), navíc fragmentace souborů → zpomalení. dnes má blok cca 2-4KB. 

Linky 

• Hard link – Na jedna data souboru se odkazuje z různých položek v adresářích 

• Soft link – Speciální soubor, který obsahuje jméno souboru 

Příklady 

• FAT – http://en.wikipedia.org/wiki/File_Allocation_Table 

• NTFS – charakteristika, MFT (Master File Table), run list 

http://www.digit-life.com/articles/ntfs/ 

http://www.pcguide.com/ref/hdd/file/ntfs/archSector-c.html 

24

• ext2/ext3 – struktura, inode, žurnál 

http://www.science.unitn.it/~fiorella/guidelinux/tlk/node95.html 

http://www.linux-security.cn/ebooks/ulk3-html/0596005652/understandlk-CHP-18. 

html 

Plánování pohybu hlav disků 

• FCFS (First-Come, First-Served) - žádné plánování, fronta požadavků, jeden 

za druhým 

• SSTF (Shortest Seek Time First) - krajní žádosti mohou ”hladovět” 

• LOOK (výtah), C-LOOK (circular LOOK) - pohyb jen jedním směrem, na 

konci otočka 

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) 

• JBOD (Just a Bunch of Disks) 

• RAID 0 – striping, žádná redundance 

• RAID 1 – mirroring, redundance 

• RAID 0+1 – mirroring a striping 

• RAID 2 – 7-bitový paritní Hammingův kód 

• RAID 3 – 1 paritní disk, po bitech na disky 

• RAID 4 – 1 paritní disk a striping 

• RAID 5 – distribuovaná parita a striping 

• RAID 6 – distribuovaná parita – dvojitá P+Q, striping 

5.11 Bezpečnost, autentifikace, autorizace, přístupová práva 

Definice 

• Ochrana – s prostředky OS mohou pracovat pouze autorizované procesy 

• Autorizace – zjištění oprávněnosti požadavku 

• Bezpečnost – zabraňuje neautorizovaný přístup do systému 

• Právo – povolení/zakázání vykonávat nějakou operaci 

• Doména ochrany – množina párů (objekt:práva) 

– ACL (Access Control List) – ke každému objektu seznam práv pro 

uživatele/skupiny 

– C-list (Capability List) – ke každému uživateli/skupině seznam práv 

pro objekty 

25

Autentifikace 

Identifikace něčím, co uživatel ví, má nebo je. 

• Hesla 

– slovníkový útok (80–90% hesel je jednoduchých), hrubá síla 

– vynucování délky a složitosti hesla 

• Model otázka/odpověď 

• Fyzický objekt – smartcards, USB klíče 

• Biometrika – otisky prstů, rohovka, hlas 

TODO: autorizace, přístupová práva 

5.12 Architektura ISO/OSI 

Úvod 

Definice 

Síťový model je ucelená představa o tom, jak mají být sítě řešeny (obsahuje: 

počet vrstev, co má která vrstva na starosti; neobsahuje: konkrétní představu 

jak která vrstva plní své úkoly - tedy konkrétní protokoly). Příkladem je referenční 

model ISO/OSI (konkrétní protokoly vznikaly samostatně a dodatečně). 

Síťová architektura navíc obsahuje konkrétní protokoly - napr. rodina protokolů 

TCP/IP. 

Referenčný model ISO/OSI (International Standards Organization / Open Systems 

Interconnection) bol pokusom vytvoriť univerzálnu sieťovú architektúru - ale 

skončil ako sieťový model (bez protokolov). Pochádza zo „sveta spojov� - organizácie 

ISO, a bol „oficiálnym riešením�, presadzovaným „orgánmi štátu�; dnes už prakticky 

odpísaný - prehral v súboji s TCP/IP. ISO/OSI bol reakciou na vznik proprietárnych 

a uzavretých sietí. Pôvodne mal model popisovať chovanie otvorených systémov 

vo vnútri aj medzi sebou, ale bolo od toho upustené a nakoniec z modelu ostal len 

sieťový model (popis funkcionality vrstiev) a konkrétne protokoly pre RM ISO/OSI 

boli vyvíjané samostatne (a dodatočne zaraďované do rámca ISO/OSI). 

Model vznikal maximalistickým spôsobom - obsahoval všetko čo by mohlo byť 

v budúcnosti potrebné. Vďaka rozsiahlosti štandardu sa implementovali len jeho 

niektoré podmnožiny - ktoré neboli (vždy) kompatibilné. Vznikol GOSIP (Government 

OSI Profile) určujúci podmnožinu modelu, ktorú malo mať implementované 

všetko štátne sieťové vybavenie. Naproti tomu všetkému TCP/IP vzniklo naopak - 

najprv navrhnutím jednoduchého riešenia, potom postupným obohacovaním o nové 

vlastnosti (tie boli zahrnuté až po preukázaní „životaschopnosti�). 

7 vrstev 

Kritériá pri návrhu vrstiev boli napr.: rovnomerná vyťaženosť vrstiev, čo najmenšie 

dátové toky medzi vrstvami, možnosť prevziať už existujúce štandardy (X.25), odlišné 

funkcie mali patriť do odlišných vrstiev, funkcie na rovnakom stupni abstrakcie 

26

mali patriť do rovnakej vrstvy. Niektoré vrstvy z finálneho návrhu sa používajú málo 

(relačná a prezentačná), niektoré zase príliš (linková - rozpadla sa na 2 podvrstvy 

LLC+MAC). 

aplikační vrstva vrstvy orientované na podporu aplikací 

prezentační vrstva 

relační vrstva 

transportní vrstva přispůsobovací vrstva 

síťová vrstva vrstvy orientované na přenos dat 

linková vrstva 

fyzická vrstva 

Fyzická vrstva sa zaoberá prenosom bitov (kódovanie, modulácia, synchronizácia...) 

a ponúka teda služby typu pošli a príjmi bit (pričom neinterpretuje význam 

týchto dát). Pracuje sa tu s veličinami ako je šírka pásma, modulačná a prenosová 

rýchlosť. 

Linková vrstva prenáša vždy celé bloky dát (rámce/frames), používa pritom 

fyzickú vrstvu a prenos vždy funguje len k priamym susedom. Môže pracovať spoľahlivo 

či nespoľahlivo, prípadne poskytovať QoS/best effort. Ďalej zabezpečuje riadenie 

toku - zaistenie toho, aby vysielajúci nezahltil príjemcu. Delí sa na dve podvrstvy 

- MAC (prístup k zdieľanému médiu - rieši konflikty pri viacnásobnom prístupe k 

médiu) a LLC (ostatné úlohy). 

Sieťová vrstva prenáša pakety (packets) - fakticky ich vkladá do linkových 

rámcov. Zaručuje doručenie paketov až ku konečnému adresátovi (tj. zabezpečuje 

smerovanie). Môže používať rôzne algoritmy smerovania - ne/adaptívne, izolované, 

distribuované, centralizované... (v architektúre TCP/IP je to IP vrstva) 

Transportná vrstva zabezpečuje komunikáciu medzi koncovými účastníkmi 

(end-to-end) a môže meniť nespoľahlivý charakter komunikácie na spoľahlivý, menej 

spoľahlivý na viac spoľahlivý, nespojovaný prenos na spojovaný... Príkladom sú 

napr. TCP a UDP. Ďalšou úlohou je rozlišovanie jednotlivých entit (na rozdiel od 

napr. sieťovej vrstvy) v rámci uzlov - procesy, démony, úlohy (rozlišuje sa zväčša 

nepriamo - napr. v TCP/IP pomocou portov). 

Relačná vrstva zaisťuje vedenie relácií - šifrovanie, synchronizáciu, podporu 

transakcií. Je to najkritizovanejšia vrstva v ISO/OSI modele, v TCP/IP úplne 

chýba. 

Prezentačná vrstva slúži na konverziu dát, aby obe strany interpretovali dáta 

rovnako (napr. reálne čísla, rôzne kódovanie textov). Ďalej má na starosti konverziu 

dát do formátu, ktorý je možné preniesť: napr. linearizácia viacrozmerných polí, 

dátových štruktúr; konverzia viacbajtových položiek na jednotlivé byty (little vs. big 

endian). Poznámka: Zápis čísla 1234H v Big endian je [12:34:–:–] (sun, motorola), v 

Little endian [–:–:34:12] (intel, amd, ethernet). 

Aplikačná vrstva mala pôvodne obsahovať aplikácie - ale tých je veľa a nebolo 

možné ich štandardizovať. Teraz teda obsahuje len „jadro� aplikácií - tie, ktoré malo 

zmysel štandardizovať (email a pod.). Ostatné časti aplikácií (GUI) boli vysunuté 

nad aplikačnú vrstvu. 

27

Kritika 

Model ISO/OSI: 

• je príliš zložitý, ťažkopádny a obtiažne implementovateľný 

• je príliš maximalistický 

• nerešpektuje požiadavky a realitu bežnej praxe 

• počítal skôr s rozľahlými sieťami ako s lokálnymi 

• niektoré činnosti (funkcie) zbytočne opakuje na každej vrstve 

• jednoznačne uprednostňuje spoľahlivé a spojované prenosové služby (ale tie 

sú spojené s veľkou réžiou ⇒ spoľahlivosť si efektívnejšie zabezpečia koncové 

uzly) 

Možnosť nespoľahlivého/nespojovaného spojenia bolo pridané do štandardu až 

dodatočne, napriek tomu bol porazený architektúrou TCP/IP. Používajú sa však 

niektoré prevzaté prokoly - X.400 (elektronická pošta), X.500 (adresárové služby - 

odľahčením vznikol úspešný protokol LDAP). 

5.13 Rodina protokolů TCP/IP (ARP, IPv4, IPv6, ICMP, 

UDP, TCP) – adresace, routing, fragmentace, spolehlivost, 

flow control, congestion control, NAT 

ISO/OSI TCP/IP 

aplikační vrstva aplikační vrstva 

prezentační vrstva 

relační vrstva 

transportní vrstva transportní vrstva 

síťová vrstva síťová vrstva (též IP vrstva) 

linková vrstva vrstva síťového rozhraní 

fyzická vrstva 

Obvyklé označenie je TCP/IP protocol suite (súčasťou je viac ako 100 protokolov). 

Architektúra vznikla postupne (v akademickom prostredí, neskôr sa rozšírila aj 

do komerčnej sféry) – najprv vznikli protokoly, potom vrstvy – a od vzniku sa toho 

zmenilo len málo (zmeny sú aditívne). Je to najpoužívanejšia sieťová technológia (IP 

over everything, everything over IP). Prístup autorov bol, na rozdiel od ISO/OSI, 

od jednoduchšieho k zložitejšiemu – najprv sa vytvárajú jednoduché riešenia, ktoré 

sa postupne obohacujú. Až sa riešenie prakticky overí (2 nezávislé implementácie), 

vznikne štandard. TCP/IP predpokladá že siete sú typu nespojované, nespoľahlivé 

a best effort. Všetká inteligencia je sústredená do koncových uzlov, sieť je „hlúpa� 

ale rýchla. 

TCP/IP bol pôvodne určený pre ARPAnet – nemohol mať teda žiadnu centrálnu 

časť a musel byť robustný voči chybám (nespoľahlivé/nespojované prenosy). Dôraz 

sa kládol aj na ”internetworking”. Nebolo však požadované zabezpečenie, mobilita 

ani kvalita služieb. 

TCP/IP nedefinuje rôzne siete (čo sa hardvérových vlastností týka) a technológie 

vo vrstve sieťového rozhrania – iba sa snaží nad nimi prevádzkovať protokol IP 

28

(okrem SLIP a PPP pre dvojbodové spoje). V sieťovej vrstve je IP protokol, v 

transportnej jednotné transportné protokoly (TCP a UDP), v aplikačnej potom 

jednotné základy aplikácií (email, prenos súborov, remote login...). 

Adresace, IPv4, IPv6 

Data se v IP síti posílají po blocích nazývaných datagramy. Jednotlivé datagramy 

putují sítí zcela nezávisle, na začátku komunikace není potřeba navazovat spojení či 

jinak „připravovat cestu� datům, přestože spolu třeba příslušné stroje nikdy předtím 

nekomunikovaly. 

IP protokol v doručování datagramů poskytuje nespolehlivou službu, označuje 

se také jako best effort – „nejlepší úsilí�; tj. všechny stroje na trase se datagram 

snaží podle svých možností poslat blíže k cíli, ale nezaručují prakticky nic. Datagram 

vůbec nemusí dorazit, může být naopak doručen několikrát a neručí se ani za 

pořadí doručených paketů. Pokud aplikace potřebuje spolehlivost, je potřeba ji implementovat 

v jiné vrstvě síťové architektury, typicky protokoly bezprostředně nad 

IP (viz TCP). 

Pokud by síť často ztrácela pakety, měnila jejich pořadí nebo je poškozovala, výkon 

sítě pozorovaný uživatelem by byl malý. Na druhou stranu příležitostná chyba 

nemívá pozorovatelný efekt, navíc se obvykle používá vyšší vrstva, která ji automaticky 

opraví. 

V IPv4 je adresou 32bitové číslo, zapisované po jednotlivých bajtech, oddělených 

tečkami. Takových čísel existuje celkem 2 32 . Určitá část adres je ovšem rezervována 

pro vnitřní potřeby protokolu a nemohou být přiděleny. Dále pak praktické důvody 

vedou k tomu, že adresy je nutno přidělovat hierarchicky, takže celý adresní prostor 

není možné využít beze zbytku. To vede k tomu, že v současnosti je již znatelný 

nedostatek IP adres, který řeší různými způsoby: dynamickým přidělováním (tzn. 

např. každý uživatel dial-up připojení dostane dočasnou IP adresu ve chvíli, kdy 

se připojí, ale jakmile se odpojí, je jeho IP adresa přidělena někomu jinému; při 

příštím připojení pak může tentýž uživatel dostat úplně jinou adresu), překladem 

adres (NAT) a podobně. Ke správě tohoto přidělování slouží specializované síťové 

protokoly, jako např. DHCP. 

Pôvodný koncept adries počítal so štruktúrou adresy IPv4 v tvare sieť:počítač, 

kde bolo delenie častí pevne dané. Neskôr sa to ale ukázalo ako príliš hrubé delenie 

a lokálna časť adresy (v rámci jednej podsiete) može mäť dnes promenlivú dĺžku. 

Obecne platí, že medzi adresami v rovnakej podsieti (majú rovnakú sieťovú časť) 

je možné dopravovať dáta priamo – dotyční účastníci sú prepojení jedným ethernetom 

alebo inou lokálnou sieťou. V opačnom prípade sa dáta dopravujú smerovačmi/routermi. 

Hranicu v adrese medzi adresou siete a počítača určuje dnes maska 

podsiete. Jedná sa o 32 bitovú hodnotu, ktorá obsahuje jednotky tam, kde je v 

adrese určená sieť. 

Adresovanie sietí bolo v prvopočiatkoch internetu vyriešené staticky – prvých 

8 bitov adresy určovalo sieť, zvyšok jednotlivé počítače (existovať tak mohlo 

max. 256 sietí). S nástupom lokálnych sietí bolo tento systém potrebné zmeniť – 

zaviedli sa triedy IP adries. Existovalo 5 tried (A(začiatok 0, hodnoty prvého bajtu 

0-127, maska 255.0.0.0), B(10, 128-191, 255.255.0.0), C(110, 192-223, 255.255.255.0), 

D(1110, 224-239, určené na multicast) a E(1111, 240-255, určené ako rezerva)). Po- 

29

stupom času sa ale aj toto rozdelenie ukázalo ako nepružné a bol zavedený CIDR 

(Classless Inter-Domain Routing) systém v ktorom je možné hranicu medzi adresou 

siete a lokálnou časťou adresy umiestniť ľubovoľne (označuje sa potom ako kombinácia 

prefixu a dĺžky vo forme 192.168.0.0/24, kde 24 znamená že adresu tvorí 

prvých 24 bitov – jiný zápis je pomocí už zmiňované masky podsítě, tj. 192.168.0.0 

s maskou 255.255.255.0). 

Medzi adresami existujú niektoré tzv. vyhradené adresy, ktoré majú špeciálny 

význam. 

• Adresa s (binárnymi) nulami v časti určujúcej počítač (192.168.0.0 (/24)) znamená 

„táto sieť�, resp. „táto stanica�. 

• Adresa s jednotkami v časti určujúcej počítač (192.168.0.255 (/24)) znamená 

broadcast – všesmerové vysielanie. 

• Adresy 10.0.0.0 – 10.255.255.255, 172.16.0.0 – 172.31.255.255 a 192.168.0.0 – 

192.168.255.255 sa používajú na adresovanie interných sietí – smerovače tieto 

adresy nesmie smerovať ďalej do internetu. 

IPv6 je trvalejším riešením nedostatku adries – zatiaľ sa ale rozširuje veľmi 

pozvolna. Adresa v IPv6 má dĺžku 128 bitov (oproti 32), čo znamená cca. 6×10 23 IP 

adries na 1m 2 zemského povrchu – umožňuje teda, aby každé zariadenie na zemi malo 

vlastnú jednoznačnú adresu. Adresa IPv6 sa zapisuje ako osem skupín po štyroch 

hexadecimálnych číslach (napr. 2001:0718:1c01:0016:0214:22ff:fec9:0ca5) – pričom 

úvodné nuly v číslach je možné vynechať. Ak po sebe nasleduje niekoľko nulových 

skupín, je možné použiť len znaky :: – napr. ::1 miesto 0000:0000:.......:0001. Toto 

je možné použiť len raz v zápise adresy. RFC 4291 zavádza 3 typy adries: 

• inidividuálne / unicast – identifikujú práve jedno rozhranie 

• skupinové / multicast – určuje skupinu zariadení, ktorým sa má správa 

dopraviť 

• výberové / anycast – určuje tiež skupinu zariadení, dáta sa však doručia 

len jednému z členov (najbližšiemu) 

IPv6 neobsahuje všesměrové (broadcast) adresy. Byly nahrazeny obecnějším modelem 

skupinových adres a pro potřeby doručení dat všem zařízením připojeným k 

určité síti slouží speciální skupinové adresy (např. ff02::1 označuje všechny uzly na 

dané lince). 

IPv6 zavádí také koncepci dosahu (scope) adres. Adresa je jednoznačná vždy jen 

v rámci svého dosahu. Nejčastější dosah je pochopitelně globální, kdy adresa je jednoznačná 

v celém Internetu. Kromě toho se často používá dosah linkový, definující 

jednoznačnou adresu v rámci jedné linky (lokální sítě, např. Ethernetu). Propracovanou 

strukturu dosahů mají skupinové adresy (viz níže). 

Adresní prostor je rozdělen následovně: 

prefix význam 

::/128 neurčená 

::1/128 smyčka (loopback) 

ff00::/8 skupinové 

fe80::/10 individuální lokální linkové 

ostatní individuální globální 

30

Výběrové adresy nemají rezervovánu svou vlastní část adresního prostoru. Jsou 

promíchány s individuálními a je otázkou lokální konfigurace, aby uzel poznal, zda 

se jedná o individuální či výběrovou adresu. 

Strukturu globálních individuálních IPv6 adres definuje RFC 3587. Je velmi jednoduchá 

a de facto odpovídá (až na rozměry jednotlivých částí) výše uvedené struktuře 

IPv4 adresy. 

n bitů 64-n bitů 64 bitů 

globální směrovací prefix adresa podsítě adresa rozhraní 

Globální směrovací prefix je de facto totéž co adresa sítě, následuje adresa podsítě 

a počítače (přesněji síťového rozhraní). V praxi je adresa podsítě až na výjimky 

16bitová a globální prefix 48bitový. Ten je pak přidělován obvyklou hierarchií, jejíž 

stávající pravidla jsou: 

• první dva bajty obsahují hodnotu 2001 (psáno v šestnáctkové soustavě) 

• další dva bajty přiděluje regionální registrátor (RIR) 

• další dva bajty přiděluje lokální registrátor (LIR) 

Reálná struktura globální individuální adresy tedy vypadá následovně: 

16 bitů 16 bitů 16 bitů 16 bitů 64 bitů 

2001 přiděluje RIR přiděluje LIR adresa podsítě adresa rozhraní 

Adresa rozhraní by pak měla obsahovat modifikovaný EUI-64 identifikátor. Ten 

získáte z MAC adresy jednoduchým postupem: invertuje se druhý bit MAC adresy 

a doprostřed se vloží dva bajty obsahující hodnotu fffe. Z ethernetové adresy 

00:14:22:c9:0c:a5 tak vznikne identifikátor 0214:22ff:fec9:0ca5. 

Adresy začínajúce hodnotou ff sú tzv. ”skupinové adresy” – štyri nasledujúce bity 

v nej obsahujú príznaky, ďalšie štyri potom dosah (napr. interface-local, link-local, 

admin-local, site-local, organization-local, global...) 

IPv6 ďalej podporuje QoS a bezpečnosť (IPsec). 

Routing 

Pojmem směrování (routing, routování) je označováno hledání cest v počítačových 

sítích. Jeho úkolem je dopravit datový paket určenému adresátovi, pokud možno co 

nejefektivnější cestou. Síťová infrastruktura mezi odesílatelem a adresátem paketu 

může být velmi složitá. Směrování se proto zpravidla nezabývá celou cestou paketu, 

ale řeší vždy jen jeden krok – komu data předat jako dalšímu (tzv. „distribuované 

směrování�). Ten pak rozhoduje, co s paketem udělat dál. 

V prípade, že je cieľová stanica packetu v rovnakej sieti ako je odosielateľ, o 

doručenie sa postará linková vrstva. V opačnom prípade musí odosielateľ určiť najvhodnejší 

odchodzí smer a poslať datagram smerovaču vo zvolenom smere. 

Základní datovou strukturou pro směrování je směrovací tabulka (routing table). 

Představuje vlastně onu sadu ukazatelů, podle kterých se rozhoduje, co udělat s 

kterým paketem. Směrovací tabulka je složena ze záznamů obsahujících: 

31

• cílovou adresu, které se dotyčný záznam týká. Může se jednat o adresu individuálního 

počítače, častěji však je cíl definován prefixem, tedy začátkem 

adresy. Prefix mívá podobu 147.230.0.0/16. Hodnota před lomítkem je adresa 

cíle, hodnota za lomítkem pak určuje počet významných bitů adresy. Uvedenému 

prefixu tedy vyhovuje každá adresa, která má v počátečních 16 bitech 

(čili prvních dvou bajtech) hodnotu 147.230. 

• akci určující, co provést s datagramy, jejichž adresa vyhovuje prefixu. Akce 

mohou být dvou typů: doručit přímo adresátovi (pokud je dotyčný stroj s 

adresátem přímo spojen) nebo předat některému ze sousedů (jestliže je adresát 

vzdálen). 

Směrovací rozhodnutí pak probíhá samostatně pro každý procházející datagram. 

Vezme se jeho cílová adresa a porovná se směrovací tabulkou následovně: 

• Z tabulky se vyberou všechny vyhovující záznamy (jejichž prefix vyhovuje 

cílové adrese datagramu). 

• Z vybraných záznamů se použije ten s nejdelším prefixem. Toto pravidlo vyjadřuje 

přirozený princip, že konkrétnější záznamy (jejichž prefix je delší, tedy 

přesnější; specielním případem je host-specific route) mají přednost před obecnějšími 

(co může být např. i default route; ps: agregace). 

Zajímavou otázkou je, jak vznikne a jak je udržována směrovací tabulka. Tento 

proces mají obecně na starosti směrovací algoritmy. Když jsou pak pro určitý algoritmus 

definována přesná pravidla komunikace a formáty zpráv nesoucích směrovací 

informace, vznikne směrovací protokol (routing protocol). Směrovací algoritmy 

můžeme rozdělit do dvou základních skupin: na statické a dynamické. Často se také 

mluví o statickém a dynamickém směrování, které je důsledkem činnosti příslušných 

protokolů. 

Při statickém (též neadaptivním) směrování se směrovací tabulka nijak nemění. 

Je dána konfigurací počítače a případné změny je třeba v ní provést ručně. 

Tato varianta vypadá jako nepříliš atraktivní, ve skutečnosti ale drtivá většina zařízení 

v Internetu směruje staticky. 

Dynamické (adaptivní) směrování průběžně reaguje na změny v síťové topologii 

a přizpůsobuje jim směrovací tabulky. Na vytváranie tabuliek existuje niekoľko 

algoritmov – routovacích protokolov (vector-distance/link-state) – RIP, BGP, 

OSPF. 

Distribuované směrování 

V distribuovaném směrování může výpočet cesty (směru předání paketu) provádět 

buď každý uzel nezávisle, nebo mohou uzly kooperovat (distribuovaný výpočet). 

Rozlišuje se také četnost aktualizace informací. Dva základní algoritmy distribuovaného 

směrování jsou: 

• vector distance – každý uzel si udržuje tabulku vzdáleností, přímí sousedé si 

vyměňují informace o cestách ke všem uzlům, tj. jde o distribuovaný výpočet, 

přenáší se dost informací. Trpí problémem „count-to-infinity� – tj. když 1 

uzel přestane existovat, postupně si jeho sousedé mezi sebou přehazují vzdálenost, 

postupně o 1 zvětšovanou (do nekonečna). Řeší se pomocí technik „split 

32

horizon� (neinzeruj vzdálenost zpět) a „poisoned reverse� (inzeruj zpět nekonečno), 

někde ale přesto selhává. 

• link state – každý uzel hledá změny svých sousedů a pokud k nějaké dojde, 

pošle floodem informaci do celé sítě. Výpočet vzdáleností dělá každý uzel sám. 

Tyto algoritmy se používají u některých známých směrovacích protokolů: 

• RIP (Routing Information Protocol) – protokol z BSD Unixu, typu vector distance. 

Počítá s max. 16 přeskoky, změny se updatují 2x za minutu. Informace 

ve směrovací tabulce může zahrnovat max. 25 sítí, používá split horizon & 

poisoned reverse. Hodí se ale jen pro malé sítě. 

• OSPF (Open Shortest Path First) – jde o protokol typu link state, uzly si 

počítají vzdálenosti do všech sítí Dijkstrovým algoritmem. Pro zjišťování změn 

se posílají pakety ”HELLO” a ”ECHO”. Má lepší škálovatelnost, hodí se pro 

větší sítě. 

Hierarchické směrování, autonomní systémy 

Hierarchické směrování znamená rozdělení sítě do oblastí (areas) a směrování mezi 

nimi jen přes vstupní body. Je vhodné pro velké, složitě propojené nebo různým 

způsobem spravované sítě. Nad oblastmi se vytvoří propojení – backbone area 

(páteřní systém), přes které se směrování mezi oblastmi provádí. Celému tomuto 

(areas + backbone area) se říká autonomní systém. Detailní směrovací informace 

neopouštějí jednotlivé oblasti. 

Pro směrování v rámci jedné oblasti i mezi oblastmi v rámci jednoho autonomního 

systému slouží jeden z tzv. interior gateway protocols, může být použit např. 

OSPF nebo RIP, případně další jako IGRP (interior gateway routing protocol, 

typu vector distance) nebo EIGRP (enhaced IGRP, hybrid mezi vector distance 

a link state). Mezi jednotlivými autonomními systémy (přes AS boundary routers) 

se směruje pomocí exterior gateway protocolu, jedním z nich je např. Border 

Gateway Protocol (BGP). 

Díky existenci autonomních systémů jde např. při peeringu stanovit, který 

provoz půjde přes peering a který výše po upstreamu do páteřních sítí. 

Fragmentace 

Maximum transmission unit (MTU) je maximální velikost paketu, který je 

možné přenést z jednoho síťového zařízení na druhé. Obvyklá hodnota MTU v 

případě Ethernetu je cca 1500 bajtů, nicméně mezi některými místy počítačové 

sítě (spojených například modemem nebo sériovou linkou) může být maximální 

délka přeneseného paketu nižší. Hodnotu MTU lze zjistit prostřednictvím protokolu 

ICMP. Při posílání paketů přes několik síťových zařízení je samozřejmě důležité 

nalézt nejmenší MTU na dané cestě. Hodnota MTU je omezena zdola na 576 bajtů. 

U přenosového protokolu TCP je při směrování paketu do přenosového kanálu 

s nižším MTU než je délka paketu, provedena fragmentace paketu. U protokolu 

UDP není fragmentace paketu podporována a paket je v takovém případě zahozen. 

Pokud dorazí na směrovač paket o velikosti větší, než kterou je přenosová trasa 

schopna přenést (např. při přechodu z Token Ringu používajícího 4 kByte pakety 

33

na Ethernet používajícího maximálně 1,5 kByte pakety), musí směrovač zajistit 

tzv. fragmentaci, neboli rozebrání paketu na menší části a cílový uzel musí zajistit 

opětovné složení, neboli defragmentaci. 

Fragmenty procházejí přes síť jako samostatné datagramy. Aby byl koncový uzel 

schopen fragmenty složit do originálního datagramu, musí být fragmenty příslušně 

označeny. Toto označování se provádí v příslušných polích IP hlavičky. 

Pokud nesmí být datagram fragmentován, je označen v příslušném místě IP hlavičky 

příznakem „Don‘t Fragment�. Jestliže takto označený paket dorazí na směrovač, 

který by jej měl poslat prostředím s nižším MTU a tudíž je nutnost provést 

fragmentaci, provede směrovač jeho zrušení a informuje odesílatele chybovou zprávou 

ICMP. 

Aby byl cílový uzel schopen složit originální datagram, musí mít dostatečný buffer 

do něhož jsou jednotlivé fragmenty ukládány na příslušnou pozici danou offsetem. 

Složení je dokončeno v okamžiku, kdy je vyplněn celý datagram začínající fragmentem 

s nulovým offsetem (identification a fragmentation offset v hlavičke) a končící 

segmentem s příznakem „More Data Flag� (resp. More Fragments) nastaveným na 

False. 

V IPv4 je možné fragmentované pakety ďalej deliť; naproti tomu v IPv6 musí 

fragmentáciu zabezpečiť odosielateľ – nevyhovujúce pakety sa zahadzujú. 

Spolehlivost, Flow control, Congestion control 

Keďže TCP/IP funguje nad obecne nespojovanými a nespoľahlivými médiami, spoľahlivosť 

ktorú TCP poskytuje nie je „skutočná�, ale len „softvérovo emulovaná� 

– medziľahlé uzly o spojení nič nevedia, fungujú nespojovane (pre komunikáciu sa 

používa sieťová vrstva, transportná „existuje� iba medzi koncovými uzlami). Je teda 

nutné ošetriť napr. nespoľahlivosť infraštruktúry (strácanie dát, duplicity – pričom 

stratiť sa môže aj žiadosť o vytvorenie pripojenia, potvrdenie...) a reboot uzlov 

(uzol stratí históriu, je potrebné ošetriť existujúce spojenia...). 

Používa sa celá rada techník, kde základom je kontinuálne potvrdzovanie: príjemca 

posiela kladné potvrdenia; odosielateľ po každom odoslaní spúšťa časovač a 

ak mu do vypršania nepríde potvrdenie, posiela dáta znovu. Potvrdzovanie nie je 

samostatné ale vkladá sa do paketov cestujúcich opačným smerom – piggybacking. 

TCP priebežne kontroluje „dobu obrátky� a vyhodnocuje vážený priemer a rozptyl 

dôb obrátky. Čakaciu dobu (na potvrdenie) potom vypočítava ako funkciu tohto 

váženého priemeru a rozptylu. Výsledný efekt je potom ten, že čakacia doba je tesne 

nad strednou dobou obrátky. V prípade konštantnej doby obrátky sa čakacia doba 

približuje strednej dobe obrátky; ak kolíše, čakacia doba sa zväčšuje. 

Dáta v TCP sa príjímajú/posielajú po jednotlivých byteoch – interne sa však 

bufferujú a posielajú až po naplnení buffera (pričom aplikácia si môže vyžiadať 

okamžité odoslanie – operácia PUSH). TCP si potrebuje označovať jednotlivé byty 

v rámci prúdu (keďže nepracuje s blokmi) – napr. kvôli potvrdzovaniu; používa sa 

na to 32-bitová pozícia v bytovom prúde (začína sa od náhodne zvoleného čísla). 

TCP sa snaží riadiť tok dát – aby odosielateľ nezahlcoval príjemcu a kvôli 

tomu nedochádzalo k stráte dát. Podstata riešenia je tzv. metóda okienka. Okienko 

udáva veľkosť voľných bufferov na strane prijímajúceho a odosielateľ môže posielať 

dáta až do „zaplnenia� okienka. Príjemca spolu s každým potvrdením posiela aj 

34

svoju ponuku – údaj o veľkosti okienka (window advertisment)., ktorý hovorí koľko 

ešte dát je schopný prijať (naviac k práve potvrdeným). Znovu – používa sa metóda 

kontinuálneho potvrďovania. 

Väčšina strát prenášaných dát ide skôr na vrub zahlteniu ako chybám HW a 

transportné protokoly môžu nevhodným chovaním zhoršovať dôsledky. TCP každú 

stratu dát chápe ako dôsledok zahltenia – nasadzuje opatrenia proti zahlteniu 

(congestion control). Po stráte paketu ho pošle znovu ale neposiela ďalšie a čaká 

na potvrdenie (tj. prechod z kontinuálneho potvrdzovania na jednotlivé ⇒ vysiela 

menej dát ako mu umožňuje okienko). Ak príde potvrdenie včas, zdvojnásobí množstvo 

odosielaných dát – a tak pokračuje kým nenarazí na aktuálnu veľkosti okienka 

(postupne sa tak vracia na kontinuálne potvrdzovanie). 

Dôležitou vlastnosťou je aj korektné chovanie pri naväzovaní a rušení spojenia 

(v prostredí, kde môže dôjsť k spomaleniu, strate, duplicite...) – používa sa tzv. 

3-fázový handshake. Vytvorenie spojenia prebieha nasledovne: 

1. Klient pošle serveru SYN paket (v pakete je nastavený príznak SYN) spolu s 

náhodným sequence number (X). 

2. Server tento paket prijme, zaznamená si sequence number (X) a pošle späť 

paket SYN-ACK. Tento paket obsahuje pole Acknowledgement, ktoré označuje 

ďalšie číslo (sequence number), ktoré tento host očakáva (X+1). Tento host 

rovno vytvorí spätnú session s vlastným sekvenčným číslom (Y). 

3. Klient odpovie so sekvenčným číslom (X+1) a jednoduchým Acknowledgement 

číslom (Y+1) – čo je sekvenčné číslo servera+1. 

Pak už spojení považováno za navázané. Rušenie spojenia funguje podobne, posílají 

se pakety FIN (finish), FIN+ACK a ACK. Pokud více než nějaký určitý počet 

pokusů o odeslání (po spočítaných time-outech) jednoho z 3-way handshake paketů 

selže (druhá strana neodešle to, co mělo následovat), spojení se považuje za přerušené 

(i u navazování, i u rušení). 

NAT 

TODO: přeložit ty copy & paste z Wiki 

Network address translation (zkráceně NAT, česky překlad síťových adres) je 

funkce síťového routeru pro změnu IP adres packetů procházejících zařízením, kdy se 

zdrojová nebo cílová IP adresa převádí mezi různými rozsahy. Nejběžnější formou je 

tzv. maškaráda (maskování), kdy router IP adresy z nějakého rozsahu mění na svoji 

IP adresu a naopak – tím umožňuje, aby počítače ve vnitřní síti (LAN) vystupovaly 

v Internetu pod jedinou IP adresou. Router si drží po celou dobu spojení v paměti 

tabulku překladu adres. 

Překlad síťových adres je funkce, která umožňuje překládání adres. Což znamená, 

že adresy z lokální sítě přeloží na jedinečnou adresu, která slouží pro vstup do jiné sítě 

(např. Internetu), adresu překládanou si uloží do tabulky pod náhodným portem, 

při odpovědi si v tabulce vyhledá port a pošle pakety na IP adresu přiřazenou k 

danému portu. NAT je vlastně jednoduchým proxy serverem (na sieťovej vrstve). 

35

Komunikace 

Klient odešle požadavek na komunikace, směrovač se podívá do tabulky a zjistí, 

zdali se jedná o adresu lokální, nebo adresu venkovní. V případě venkovní adresy 

si do tabulky uloží číslo náhodného portu, pod kterým bude vysílat a k němu si 

přiřadí IP adresu. Během přeposílání „ven� a změny adresy v paketu musí NAT 

také přepočítat CRC checksum TCP i IP (aby pakety nebyly zahazovány kvůli 

špatnému CRC, protože změněná adresa je jejich součástí). 

Výhodami NAT sú umožnenie pripojenie viacerých počítačov do internetu cez 

jednu zdieľanú verejnú IP adresu, a zvýšenie bezpečnosti počítačov za NATom (aj 

keď je to security through obscurity a nie je dobré postaviť bezpečnosť iba na 

NATe). Nevýhodami potom sú nefungujúce protokoly (napr. aktívne FTP) – čo 

je zrejmé z fungovania NATu. 

NAT Traversal 

NAT traversal refers to an algorithm for the common problem in TCP/IP networking 

of establishing connections between hosts in private TCP/IP networks that 

use NAT devices. 

This problem is typically faced by developers of client-to-client networking 

applications, especially in peer-to-peer and VoIP activities. NAT-T is commonly 

used by IPsec VPN clients in order to have ESP packets go through NAT. 

Many techniques exist, but no technique works in every situation since NAT 

behavior is not standardized. Many techniques require a public server on a wellknown 

globally-reachable IP address. Some methods use the server only when 

establishing the connection (such as STUN), while others are based on relaying all 

the data through it (such as TURN), which adds bandwidth costs and increases 

latency, detrimental to conversational VoIP applications. 

Druhy uspořádání NATu 

• Static NAT : A type of NAT in which a private IP address is mapped to a public 

IP address, where the public address is always the same IP address (i.e., it has 

a static address). This allows an internal host, such as a Web server, to have 

an unregistered (private) IP address and still be reachable over the Internet. 

• Dynamic NAT — A type of NAT in which a private IP address is mapped to 

a public IP address drawing from a pool of registered (public) IP addresses. 

Typically, the NAT router in a network will keep a table of registered IP 

addresses, and when a private IP address requests access to the Internet, the 

router chooses an IP address from the table that is not at the time being used 

by another private IP address. Dynamic NAT helps to secure a network as it 

masks the internal configuration of a private network and makes it difficult for 

someone outside the network to monitor individual usage patterns. Another 

advantage of dynamic NAT is that it allows a private network to use private 

IP addresses that are invalid on the Internet but useful as internal addresses. 

• PAT — PAT (NAT overloading) je další variantou NATu. U této varianty 

NATu se více inside local adres mapuje na jednu inside global adresu na různých 

portech. Tedy máme jednu veřejnou adresu a vnitřní síť oadresovanou 

36

ARP 

inside local adresami. Překladová tabulka je rozšířena o dvě položky: inside local 

port – port, ze kterého byl paket odeslán a inside global port – číslo portu, 

na který je paket odeslaný ze zdrojového portu počítače mapován. Výhodou 

je, že se tak připojuje více počítačů přes jednu IP adresu. 

Address Resolution Protocol (ARP) se v počítačových sítích s IP protokolem 

používá k získání ethernetové (MAC) adresy sousedního stroje z jeho IP adresy. 

Používá se v situaci, kdy je třeba odeslat IP datagram na adresu ležící ve stejné 

podsíti jako odesílatel. Data se tedy mají poslat přímo adresátovi, u něhož však 

odesílatel zná pouze IP adresu. Pro odeslání prostřednictvím např. Ethernetu ale 

potřebuje znát cílovou ethernetovou adresu. 

Proto vysílající odešle ARP dotaz (ARP request) obsahující hledanou IP adresu 

a údaje o sobě (vlastní IP adresu a MAC adresu). Tento dotaz se posílá linkovým 

broadcastem – na MAC adresu identifikující všechny účastníky dané lokální sítě 

(v případě Ethernetu na ff:ff:ff:ff:ff:ff). ARP dotaz nepřekročí hranice dané podsítě, 

ale všechna k ní připojená zařízení dotaz obdrží a jako optimalizační krok si zapíší 

údaje o jeho odesílateli (IP adresu a odpovídající MAC adresu) do své ARP cache. 

Vlastník hledané IP adresy pak odešle tazateli ARP odpověď (ARP reply) obsahující 

vlastní IP adresu a MAC adresu. Tu si tazatel zapíše do ARP cache a může odeslat 

datagram. 

Informace o MAC adresách odpovídajících jednotlivým IP adresám se ukládají do 

ARP cache, kde jsou uloženy do vypršení své platnosti. Není tedy třeba hledat MAC 

adresu před odesláním každého datagramu – jednou získaná informace se využívá 

opakovaně. V řadě operačních systémů (Linux, Windows XP) lze obsah ARP cache 

zobrazit a ovlivňovat příkazem arp. 

Alternativou pro počítač bez ARP protokolu je používat tabulku přiřazení MAC 

adres IP adresám definovanou jiným způsobem, například pevně konfigurovanou. 

Tento přístup se používá především v prostředí se zvýšenými nároky na bezpečnost, 

protože v ARP se dá podvádět – místo skutečného vlastníka hledané IP adresy může 

odpovědět někdo jiný a stáhnout tak k sobě jeho data. 

ARP je definováno v RFC 826. Používá se pouze pro IPv4. Novější verze IP protokolu 

(IPv6) používá podobný mechanismus nazvaný Neighbor Discovery Protocol 

(NDP, „objevování sousedů�). 

Ačkoliv se ARP v praxi používá téměř výhradně pro překlad IP adres na MAC 

adresy, nebyl původně vytvořen pouze pro IP sítě. ARP se může použít pro překlad 

MAC adres mnoha různých protokolů na síťové vrstvě. ARP byl také uzpůsoben tak, 

aby vyhodnocoval jiné typy adres fyzické vrstvy: například ATMARP se používá k 

vyhodnocení ATM NSAP adres v protokolu Classical IP over ATM. 

ICMP 

ICMP protokol (anglicky Internet Control Message Protocol) je jeden z 

jádrových protokolů ze sady protokolů internetu. Používají ho operační systémy po- 

37

čítačů v síti pro odesílání chybových zpráv – například pro oznámení, že požadovaná 

služba není dostupná nebo že potřebný počítač nebo router není dosažitelný. 

ICMP se svým účelem liší od TCP a UDP protokolů tím, že se obvykle nepoužívá 

sítovými aplikacemi přímo. Jedinou výjimkou je nástroj ping, který posílá ICMP 

zprávy „Echo Request� (a očekává příjem zprávy „Echo Response�) aby určil, zda 

je cílový počítač dosažitelný a jak dlouho paketům trvá, než se dostanou k cíli a 

zpět. 

ICMP protokol je součást sady protokolů internetu definovaná v RFC 792. ICMP 

zprávy se typicky generují při chybách v IP datagramech (specifikováno v RFC 1122) 

nebo pro diagnostické nebo routovací účely. Verze ICMP pro IPv4 je známá jako 

ICMPv4. IPv6 používá obdobný protokol: ICMPv6. 

ICMP zprávy se konstruují nad IP vrstvou; obvykle z IP datagramu, který ICMP 

reakci vyvolal. IP vrstva patřičnou ICMP zprávu zapouzdří novou IP hlavičkou 

(aby se ICMP zpráva dostala zpět k původnímu odesílateli) a obvyklým způsobem 

vzniklý datagram odešle. Například každý stroj (jako třeba mezilehlé routery), který 

forwarduje IP datagram, musí v IP hlavičce dekrementovat políčko TTL („time to 

live�, „zbývající doba života�) o jedničku. Jestliže TTL klesne na 0 (a datagram není 

určen stroji provádějícímu dekrementaci), router přijatý paket zahodí a původnímu 

odesílateli datagramu pošle ICMP zprávu „Time to live exceeded in transit� („během 

přenosu vypršela doba života�). 

Každá ICMP zpráva je zapouzdřená přímo v jediném IP datagramu, a tak (jako 

u UDP) ICMP nezaručuje doručení. Ačkoli ICMP zprávy jsou obsažené ve standardních 

IP datagramech, ICMP zprávy se zpracovávají odlišně od normálního zpracování 

prokolů nad IP. V mnoha případech je nutné prozkoumat obsah ICMP zprávy 

a doručit patřičnou chybovou zprávu aplikaci, která vyslala původní IP paket, který 

způsobil odeslání ICMP zprávy k původci. 

Mnoho běžně používaných síťových diagnostických utilit je založeno na ICMP 

zprávách. Příkaz traceroute je implementován odesíláním UDP datagramů se speciálně 

nastavenou životností v TTL políčku IP hlavičky a očekáváním ICMP odezvy 

„Time to live exceeded in transit� nebo „Destination unreachable�. Příbuzná utilita 

ping je implementována použitím ICMP zpráv „Echo� a „Echo reply�. 

Nejpoužívanější ICMP datagramy: 

• Echo: požadavek na odpověď, každý prvek v síti pracující na IP vrstvě by na 

tuto výzvu měl reagovat. Často to z různých důvodů není dodržováno. 

• Echo Reply: odpověď na požadavek 

• Destination Unreachable: informace o nedostupnosti cíle, obsahuje další upřesňující 

informaci 

– Net Unreachable: nedostupná cílová síť, reakce směrovače na požadavek 

komunikovat se sítí, do které nezná cestu 

– Host Unreachable: nedostupný cílový stroj 

– Protocol Unreachable: informace o nemožnosti použít vybraný protokol 

– Port Unreachable: informace o nemožnosti připojit se na vybraný port 

• Redirect: přesměrování, používá se především pokud ze sítě vede k cíli lepší 

cesta než přes defaultní bránu. Stanice většinou nepoužívají směrovací protokoly 

a proto jsou informovány touto cestou. Funguje tak, že stanice pošle 

38

datagram své, většinou defaultní, bráně, ta jej přepošle správným směrem a 

zároveň informuje stanici o lepší cestě. 

– Redirect Datagram for the Network: informuje o přesměrování datagramů 

do celé sítě 

– Redirect Datagram for the Host: informuje o přesměrování datagramů 

pro jediný stroj 

• Time Exceeded: vypršel časový limit 

– Time to Live exceeded in Transit: během přenosu došlo ke snížení TTL 

na 0 aniž byl datagram doručen 

– Fragment Reassembly Time Exceeded: nepodařilo se sestavit jednotlivé 

fragmenty v časovém limitu(např pokud dojde ke ztrátě části datagramů) 

Ostatní datagramy jsou používány spíše vzácně, někdy je používání ICMP znemožněno 

zcela špatným nastavením firewallu. 

UDP, TCP 

UDP – nespoľahlivý nespojovaný prenos datagramov... pridáva len porty 

TCP – porty+spoľahlivý spojovaný prenos streamov... 

...ďalšie info viď kapitolu o BSD Sockets :-) 

5.14 Spojované a nespojované služby, spolehlivost, zabezpečení 

protokolu 

TODO: všechno 

39

Vypracovane otazky k bakalarskym statnicim

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?